丁酸钠促进断奶仔猪肠道损伤修复的分子机制研究

Weaning diarrhea seriously affects the production of farming pig. Recent studies indicate that weaning stress-induced intestinal injury play a critical role in weaning diarrhea .Our study has showed that earlier administration of lactobacilli can significantly inhibit diarrhea,accompanied with significantly increasing the content of butyric acid in small intestine, but the mechanism is unclear. In vitro experiment showed that butyrate can significantly promote the wound healing process of intestinal epithelial cells. To further explore the molecular mechanisms and validated in animals, the study will select the weanning piglets as experimental animal, adding butyrate to feed and observing the effects of reducing diarrhea. The concentration of butyrate in intestine and its impact on the integrity of the intestinal mucosal barrier will be detected. By microbial genomics and metabolomics analysis, we hope to reveal the impact of butyrate on the intestinal microbial barrier formation, especially intestinal microflora of weaned piglets and zymography. Additionally, the mechanism of butyrate on the recovering of intestinal wound healing will be analysized, including reprogramming of intestinal epithelial cells and signal transduction. By means of inhibiting stress during the intestinal damage repair process of weaning piglets, the present study will provide a theoretical basis to reduce weaning diarrhea by nutritional methods.

断奶仔猪腹泻严重影响养猪生产，近年研究发现断奶应激引起肠道损伤是其关键性因素。益生菌被证实可显著增加肠道丁酸含量，降低仔猪腹泻率，但机制不清。本课题组前期体外工作提示，丁酸可明显促进肠道上皮细胞损伤修复进程。为在动物水平验证效果，并深入阐明其机制，本项目拟以断乳仔猪为实验动物，在日粮中添加丁酸钠，观察其对仔猪腹泻的抑制效果；检测肠道黏膜屏障完整性，通过微生物组学和代谢组学分析，揭示丁酸对肠道微生物屏障形成的影响，特别是对肠道菌群结构和酶谱等的影响及调节模式；结合国际最新研究进展，建立体外肠道组织和细胞损伤修复模型，开展丁酸处理对肠道细胞的氧化应激、内源性抗菌肽表达，以及诱导损伤肠道上皮细胞重编程等生理进程的研究，并深入探索其调控方式和信号转导，最终阐明丁酸促进肠道损伤修复的分子机制。为通过营养手段改善仔猪在断奶应激时的肠道损伤修复进程，促进肠道屏障完善，减少断乳腹泻发生提供理论依据。

在我国养猪生产中，断奶仔猪腹泻是导致仔猪生长性能下降甚至死亡的主要原因，而断奶应激则是引起肠道损伤和腹泻的关键性因素。微生物代谢产物丁酸以及可代谢产丁酸的益生菌被证实可通过维持肠道稳态有效降低仔猪的腹泻率，但是其调控机制尚不清楚。因此，本项目旨在通过动物实验添加丁酸钠和丁酸梭菌来观察其对断奶仔猪腹泻和肠道微生物稳态的调控效果，并从肠道内环境稳态的角度来探寻丁酸和丁酸梭菌改善肠道粘膜健康的内在机制。本项目首先开展了断奶仔猪日粮添加丁酸钠替代部分抗生素的动物实验，探究了丁酸钠对仔猪生产性能、腹泻率、肠道屏障功能、肠道菌群结构等的影响。随后在此基础上，我们筛选出了一株高产丁酸的丁酸梭菌并将其添加于断奶仔猪日粮中，探究了丁酸梭菌对断奶仔猪生长性能、胃肠激素分泌和肠道菌群结构的影响。研究发现，丁酸钠添加后仔猪的生长性能得到显著提升，腹泻率明显下降，屏障蛋白Occludin表达增加，结肠微生物菌群的多样性增加，同时伴随着回肠和结肠乳杆菌科比例大幅下降，梭菌科显著上升；同时，结肠内的毛螺菌科、瘤胃菌科相对丰度出现上升。而在日粮中添加丁酸梭菌28天后，耗料增重比显著降低，饲料转化率增加。在添加14天和28天后，Selenomonadales比例显著增加而梭菌目比例显著降低。丁酸梭菌添加28天后，一些乙酸产生菌，如Megasphaera，以及乙酸利用菌，如Eubacterium_hallii，其比例均增加。试验结果提示：丁酸梭菌可以通过优化微生物区系组成，来促进乙酸的产生和利用，进而促进丁酸的产生。而丁酸是肠道微生物产生的主要的短链脂肪酸之一，能够改善肠道粘膜形态结构，维持肠黏膜的完整性，是仔猪肠道微生态的有效调节剂，添加后有助于维持微生物区系的稳定，有利于断奶仔猪较平稳地渡过断奶应激期。因此，本研究或可为丁酸钠和丁酸梭菌应用于断奶仔猪日粮以缓解断奶应激提供一定理论支持。